Planetenwissenschaft

Die Planetenwissenschaft (seltener Planetologie ) ist die wissenschaftliche Erforschung von Himmelskörpern (wie Planeten (einschließlich der Erde ), Monden , Asteroiden und Kometen ) und Planetensystemen (insbesondere des Sonnensystems ) sowie deren Entstehungsprozessen. Sie untersucht Objekte von Mikrometeoriten bis hin zu riesigen Gasriesen mit dem Ziel, deren Zusammensetzung, Dynamik, Entstehung, Wechselwirkungen und Geschichte zu bestimmen. Es handelt sich um ein stark interdisziplinäres Feld, das ursprünglich aus der Astronomie und den Geowissenschaften hervorging ^{[ 1 ]} und heute zahlreiche Disziplinen umfasst, darunter Planetengeologie , Kosmochemie , Atmosphärenwissenschaft , Physik , Ozeanographie , Hydrologie , theoretische Planetenwissenschaft , Glaziologie und Exoplanetologie . ^{[ 1 ]} Zu den verwandten Disziplinen zählen die Weltraumphysik , die sich mit den Auswirkungen der Sonne auf die Körper des Sonnensystems befasst, und die Astrobiologie .

Die Planetenforschung umfasst eng miteinander verknüpfte beobachtende und theoretische Zweige. Die beobachtende Forschung kombiniert Weltraumerkundung , vorwiegend mit robotischen Raumsondenmissionen zur Fernerkundung , mit vergleichenden, experimentellen Arbeiten in erdgebundenen Laboren . Der theoretische Teil beinhaltet umfangreiche Computersimulationen und mathematische Modellierungen .

Planetenforscher sind in der Regel in den Fachbereichen Astronomie und Physik oder Geowissenschaften von Universitäten oder Forschungszentren angesiedelt, obwohl es weltweit auch einige Institute gibt, die sich ausschließlich der Planetenforschung widmen. Üblicherweise studieren Planetenforscher im Rahmen ihres Studiums eine der Geowissenschaften, Astronomie, Astrophysik , Geophysik oder Physik und konzentrieren sich in ihrer Forschung auf die planetenwissenschaftlichen Disziplinen. Jährlich finden mehrere große Konferenzen statt, und es gibt eine Vielzahl von Fachzeitschriften mit Peer-Review-Verfahren . Einige Planetenforscher arbeiten an privaten Forschungseinrichtungen und initiieren häufig Forschungskooperationen.

Die Geschichte der Planetenwissenschaft begann vermutlich mit dem antiken griechischen Philosophen Demokrit , der laut Hippolyt sagte :

Die geordneten Welten sind grenzenlos und von unterschiedlicher Größe. Auf manchen gibt es weder Sonne noch Mond, auf anderen sind beide größer als auf unserer Welt, und auf wieder anderen gibt es mehr. Die Abstände zwischen den geordneten Welten sind ungleich, hier größer, dort kleiner. Manche wachsen, andere blühen, wieder andere vergehen; hier entstehen sie, dort werden sie verfinstert. Sie werden jedoch durch Kollisionen zerstört. Manche geordneten Welten sind frei von Tieren, Pflanzen und Wasser. Diese Planeten sind Gesteinsplaneten, die sonst nichts besitzen, manchmal eine Atmosphäre haben, aber lebensfeindlich sind. ^{[ 2 ]}

In der Neuzeit nahm die Planetenforschung ihren Anfang in der Astronomie, mit der Erforschung der noch nicht identifizierten Planeten. In diesem Sinne gilt Galilei als der erste Planetenforscher . Er entdeckte die vier größten Jupitermonde , die Berge auf dem Mond und beobachtete als Erster die Ringe des Saturn – allesamt Objekte, die später intensiv erforscht wurden. Galileis Untersuchung der Mondberge im Jahr 1609 legte auch den Grundstein für die Erforschung außerirdischer Landschaften: Seine Beobachtung, „dass der Mond gewiss keine glatte und polierte Oberfläche besitzt“, legte die Vermutung nahe, dass er und andere Welten „genau wie die Erde selbst“ aussehen könnten. ^{[ 3 ]}

Fortschritte im Teleskopbau und in der instrumentellen Auflösung ermöglichten nach und nach eine genauere Erfassung der atmosphärischen und Oberflächenstrukturen der Planeten. Der Mond wurde aufgrund seiner Nähe zur Erde zunächst am intensivsten erforscht, da seine Oberfläche stets komplexe Strukturen aufwies. Die technologischen Verbesserungen führten allmählich zu detaillierteren geologischen Erkenntnissen über den Mond. Die wichtigsten Instrumente in diesem wissenschaftlichen Prozess waren astronomische optische Teleskope (und später Radioteleskope ) sowie schließlich robotische Erkundungssonden .

Das Sonnensystem ist mittlerweile relativ gut erforscht, und es besteht ein gutes Gesamtverständnis der Entstehung und Entwicklung dieses Planetensystems. Dennoch gibt es zahlreiche ungelöste Fragen ^{[ 4 ]} , und die Rate neuer Entdeckungen ist sehr hoch, was unter anderem auf die große Anzahl interplanetarer Raumsonden zurückzuführen ist , die derzeit das Sonnensystem erforschen .

Die Planetenwissenschaft befasst sich mit beobachtender und theoretischer Astronomie, Geologie ( Astrogeologie ), Atmosphärenwissenschaft und einem aufstrebenden Teilgebiet der planetaren Ozeane , der sogenannten planetaren Ozeanographie . ^{[ 5 ]}

Es handelt sich hierbei sowohl um eine beobachtende als auch um eine theoretische Wissenschaft. Beobachtende Forscher beschäftigen sich vorwiegend mit der Untersuchung der kleinen Körper des Sonnensystems: jener Körper, die mit optischen und Radioteleskopen beobachtet werden, um Eigenschaften wie Form, Rotation, Oberflächenmaterialien und Verwitterung zu bestimmen und die Geschichte ihrer Entstehung und Entwicklung zu verstehen.

Die theoretische Planetenastronomie befasst sich mit der Dynamik : der Anwendung der Prinzipien der Himmelsmechanik auf das Sonnensystem und extrasolare Planetensysteme . Die Beobachtung von Exoplaneten und die Bestimmung ihrer physikalischen Eigenschaften, die Exoplanetenforschung , ist neben der Erforschung des Sonnensystems ein wichtiges Forschungsgebiet. Jeder Planet hat seinen eigenen Teilbereich.

In der Planetenforschung wird der Begriff Geologie im weitesten Sinne verwendet und bezeichnet die Untersuchung der Oberfläche und des Inneren von Planeten und Monden, vom Kern bis zur Magnetosphäre. Die bekanntesten Forschungsgebiete der Planetengeologie befassen sich mit den erdnahen Himmelskörpern: dem Mond und den beiden Nachbarplaneten Venus und Mars . Der Mond wurde als erster mit Methoden untersucht, die zuvor auf der Erde entwickelt worden waren. Die Planetengeologie konzentriert sich auf Himmelskörper mit einer festen Oberfläche oder signifikanten Anteilen fester Aggregatzustände in ihrer Struktur. Sie wendet geologische , geophysikalische und geochemische Methoden auf Planetenkörper an. ^{[ 6 ]}

Die Geomorphologie untersucht die Merkmale von Planetenoberflächen und rekonstruiert deren Entstehungsgeschichte, indem sie auf die physikalischen Prozesse schließt, die auf die Oberfläche einwirkten. Die planetare Geomorphologie umfasst die Untersuchung verschiedener Klassen von Oberflächenmerkmalen:

• Einschlagmerkmale ( mehrringige Becken , Krater) ^{[ 7 ]}
• Vulkanische und tektonische Merkmale (Lavaströme, Spalten, Rillen ) ^{[ 8 ]}
• Gletschermerkmale ^{[ 7 ]}
• Äolische Merkmale ^{[ 8 ]}
• Weltraumverwitterung – Erosionsprozesse, die durch die extremen Bedingungen im Weltraum entstehen (kontinuierlicher Mikrometeoritenbeschuss, hochenergetischer Partikelregen, sogenannte Impaktgärten ). Beispielsweise ist die dünne Staubschicht auf der Oberfläche des Mondregoliths eine Folge des Mikrometeoritenbeschusses.
• Hydrologische Merkmale: Die beteiligten Flüssigkeiten können je nach Ort im Sonnensystem von Wasser über Kohlenwasserstoffe bis hin zu Ammoniak reichen. Diese Kategorie umfasst die Untersuchung paläohydrologischer Merkmale (Paläokanäle, Paläoseen). ^{[ 9 ]}

Die Geschichte einer Planetenoberfläche lässt sich entschlüsseln, indem man die Oberflächenmerkmale von oben nach unten entsprechend ihrer Ablagerungsfolge kartiert , wie es Nicolas Steno erstmals an irdischen Gesteinsschichten ermittelte . So bereitete die stratigrafische Kartierung beispielsweise die Apollo- Astronauten auf die geologischen Gegebenheiten ihrer Mondmissionen vor. Überlappende Schichtenfolgen wurden auf Bildern des Lunar-Orbiter-Programms identifiziert und zur Erstellung einer stratigrafischen Säule und einer geologischen Karte des Mondes verwendet .

Eines der Hauptprobleme bei der Aufstellung von Hypothesen zur Entstehung und Entwicklung von Objekten im Sonnensystem ist der Mangel an Proben, die im Labor analysiert werden können. Dort steht eine breite Palette an Analysemethoden zur Verfügung, und das gesamte Wissen der Erdgeologie kann genutzt werden. Direkte Proben vom Mond, Asteroiden und Mars befinden sich auf der Erde; sie wurden von ihren Mutterkörpern getrennt und als Meteoriten dorthin transportiert. Einige dieser Meteoriten wurden durch die oxidierende Wirkung der Erdatmosphäre und das Eindringen der Biosphäre verunreinigt , doch die in den letzten Jahrzehnten in der Antarktis gesammelten Meteoriten sind nahezu vollständig unberührt.

Die verschiedenen Meteoritentypen aus dem Asteroidengürtel umfassen nahezu alle Bereiche der Struktur differenzierter Körper: Es gibt sogar Meteoriten, die von der Kern-Mantel-Grenze stammen ( Pallasite ). Die Kombination von Geochemie und beobachtender Astronomie ermöglichte es zudem, die HED-Meteoriten einem bestimmten Asteroiden im Hauptgürtel, 4 Vesta , zuzuordnen .

Die vergleichsweise wenigen bekannten Marsmeteoriten haben zwar Einblicke in die geochemische Zusammensetzung der Marskruste ermöglicht, doch der unvermeidliche Mangel an Informationen über ihre Entstehungsorte auf der vielfältigen Marsoberfläche bedeutet, dass sie keine detaillierteren Einschränkungen für Theorien zur Entwicklung der Marslithosphäre liefern . [ ^{10 ] Bis} zum 24. Juli 2013 wurden 65 Marsmeteoritenproben auf der Erde entdeckt. Viele davon wurden in der Antarktis oder der Sahara gefunden.

Während der Apollo-Ära wurden im Rahmen des Apollo-Programms 384 Kilogramm Mondgestein gesammelt und zur Erde transportiert. Drei sowjetische Mondroboter brachten zudem Regolithproben vom Mond. Diese Proben liefern die umfassendsten Informationen über die Zusammensetzung eines Himmelskörpers im Sonnensystem – abgesehen von der Erde. Die Anzahl der Mondmeteoriten hat in den letzten Jahren rasant zugenommen ^{[ 11 ]} – Stand April 2008 waren 54 Meteoriten offiziell als Mondmeteoriten klassifiziert. Elf davon stammen aus der US-amerikanischen Antarktis-Meteoritensammlung, sechs aus der japanischen Antarktis-Meteoritensammlung und die übrigen 37 aus heißen Wüstenregionen in Afrika, Australien und dem Nahen Osten. Die Gesamtmasse der identifizierten Mondmeteoriten beträgt knapp 50 kg.

Raumsonden ermöglichten die Datenerfassung nicht nur im sichtbaren Lichtbereich, sondern auch in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Die Planeten lassen sich durch ihre Kraftfelder charakterisieren: ihre Gravitations- und Magnetfelder, die mithilfe der Geophysik und Weltraumphysik untersucht werden.

Die Messung der Beschleunigungsänderungen, die Raumfahrzeuge während ihrer Umlaufbahn erfahren, ermöglichte die detaillierte Kartierung der Gravitationsfelder der Planeten. So wurden beispielsweise in den 1970er Jahren die Gravitationsfeldstörungen über den Mondmeeren mithilfe von Mondorbitern gemessen, was zur Entdeckung von Massenkonzentrationen, sogenannten Mascons , unterhalb der Becken von Imbrium, Serenitatis, Crisium, Nectaris und Humorum führte.

Ist das Magnetfeld eines Planeten stark genug, bildet sich durch seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind eine Magnetosphäre um den Planeten. Frühe Raumsonden entdeckten die groben Dimensionen des Erdmagnetfelds, das sich etwa zehn Erdradien in Richtung Sonne erstreckt. Der Sonnenwind , ein Strom geladener Teilchen, strömt um das Erdmagnetfeld herum und setzt sich hinter dem magnetischen Schweif Hunderte von Erdradien stromabwärts fort. Innerhalb der Magnetosphäre befinden sich relativ dichte Bereiche mit Sonnenwindteilchen, die Van-Allen-Strahlungsgürtel .

Zur planetaren Geophysik gehören unter anderem Seismologie und Tektonophysik , geophysikalische Fluiddynamik , Mineralphysik , Geodynamik , mathematische Geophysik und geophysikalische Vermessung .

Die Planetengeodäsie (auch bekannt als planetarische Geodäsie) befasst sich mit der Vermessung und Darstellung der Planeten des Sonnensystems, ihrer Gravitationsfelder und geodynamischer Phänomene ( Polbewegung im dreidimensionalen, zeitlich veränderlichen Raum). Die Geodäsie vereint Elemente der Astrophysik und der Planetenwissenschaften. Die Form der Erde ist maßgeblich auf ihre Rotation zurückzuführen, die die Ausbuchtung am Äquator verursacht , sowie auf das Zusammenwirken geologischer Prozesse wie der Kollision von tektonischen Platten und des Vulkanismus , denen das Gravitationsfeld der Erde entgegenwirkt . Diese Prinzipien lassen sich auf die feste Erdoberfläche anwenden ( Orogenese ). Nur wenige Berge sind höher als 10 km, und nur wenige Tiefseegräben sind tiefer, da beispielsweise ein 15 km hoher Berg aufgrund der Schwerkraft an seiner Basis so viel Druck entwickeln würde, dass das Gestein dort plastisch würde und der Berg in geologisch unbedeutender Zeit auf eine Höhe von etwa 10 km zurückrutschen würde. Einige oder alle dieser geologischen Prinzipien lassen sich auch auf andere Planeten anwenden. Auf dem Mars beispielsweise, dessen Oberflächengravitation deutlich geringer ist, erreicht der größte Vulkan, Olympus Mons , eine Höhe von 27 km – eine Höhe, die auf der Erde nicht erreicht werden könnte. Das Erdgeoid ist im Wesentlichen die von seinen topografischen Merkmalen abstrahierte Figur der Erde. Daher ist das Marsgeoid ( Areoid ) im Wesentlichen die von seinen topografischen Merkmalen abstrahierte Figur des Mars. Vermessung und Kartierung sind zwei wichtige Anwendungsgebiete der Geodäsie.

Eine Atmosphäre bildet eine wichtige Übergangszone zwischen der festen Planetenoberfläche und den stärker verdünnten ionisierenden und Strahlungsgürteln. Nicht alle Planeten besitzen eine Atmosphäre: Ihre Existenz hängt von der Planetenmasse und der Entfernung zur Sonne ab – bei zu großer Entfernung bilden sich gefrorene Atmosphären. Neben den vier Gasplaneten verfügen drei der vier terrestrischen Planeten ( Erde , Venus und Mars ) über nennenswerte Atmosphären. Auch zwei Monde besitzen nennenswerte Atmosphären: Saturns Mond Titan und Neptuns Mond Triton . Merkur ist von einer dünnen Atmosphäre umgeben .

Die Auswirkungen der Rotationsgeschwindigkeit eines Planeten um seine Achse lassen sich an atmosphärischen Strömungen und Wirbeln beobachten. Vom Weltraum aus erscheinen diese Phänomene als Bänder und Wirbel im Wolkensystem und sind besonders gut auf Jupiter und Saturn zu erkennen.

Die Exoplanetologie befasst sich mit Exoplaneten , also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems . Bis vor Kurzem waren die Möglichkeiten zur Erforschung von Exoplaneten äußerst begrenzt, doch dank des rasanten Innovationstempos in der Forschungstechnologie hat sich die Exoplanetologie zu einem sich schnell entwickelnden Teilgebiet der Astronomie entwickelt .

Die Planetenforschung nutzt häufig die Vergleichsmethode, um ein besseres Verständnis des Untersuchungsgegenstands zu erlangen. Beispiele hierfür sind der Vergleich der dichten Atmosphären der Erde und des Saturnmondes Titan , die Entwicklung von Objekten des äußeren Sonnensystems in unterschiedlichen Entfernungen von der Sonne oder die Geomorphologie der Oberflächen der terrestrischen Planeten.

Der wichtigste Vergleichspunkt sind Merkmale der Erde, da diese viel leichter zugänglich sind und ein wesentlich breiteres Spektrum an Messungen ermöglichen. Erdanalogstudien sind besonders in der Planetengeologie, der Geomorphologie und auch in der Atmosphärenforschung verbreitet.

Die Verwendung terrestrischer Analoga wurde erstmals von Gilbert (1886) beschrieben. ^{[ 8 ]}

• In Frank Herberts Science-Fiction-Roman „Dune“ von 1965 fungiert die wichtige Nebenfigur Liet-Kynes als „Imperialer Planetologe“ des fiktiven Planeten Arrakis – ein Amt, das er von seinem Vater Pardot Kynes geerbt hat. ^{[ 12 ]} In dieser Funktion verfügt ein Planetologe über Kenntnisse in Ökologie, Geologie, Meteorologie und Biologie sowie über grundlegendes Verständnis der menschlichen Soziologie. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Planetologen wenden dieses Fachwissen auf die Erforschung ganzer Planeten an. ^{[ 12 ] [ 13 ]} In der „Dune“ -Reihe werden Planetologen eingesetzt, um planetare Ressourcen zu verstehen und Terraforming oder andere planetare Ingenieurprojekte zu planen. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Diese fiktive Position in „Dune“ hat den Diskurs um die Planetenforschung selbst beeinflusst und wird von einem Autor als „Prüfstein“ innerhalb der verwandten Disziplinen bezeichnet. ^{[ 14 ]} In einem Beispiel beginnt eine Veröffentlichung von Sybil P. Seitzinger in der Zeitschrift Nature mit einer kurzen Einführung in die fiktive Rolle in Dune und schlägt vor, dass die Menschheit erwägen sollte, Personen mit ähnlichen Fähigkeiten wie Liet-Kynes mit der Verwaltung ihrer Aktivitäten auf der Erde zu beauftragen. ^{[ 15 ]}

Diese nicht vollständige Liste umfasst jene Institutionen und Universitäten mit größeren Forschungsgruppen im Bereich der Planetenwissenschaften. Die Reihenfolge ist alphabetisch.

• Abteilung für Planetenwissenschaften (DPS) der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft
• Amerikanische Geophysikalische Union
• Meteorologische Gesellschaft
• Europlanet

• Kanadische Weltraumorganisation (CSA)
• Nationale Raumfahrtbehörde Chinas (CNSA, Volksrepublik China).
• Centre national d'études räumliches Französisches Nationales Zentrum für Weltraumforschung
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV , (deutsch: abgekürzt DLR), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
• Europäische Weltraumorganisation (ESA)
• Indische Weltraumforschungsorganisation (ISRO)
• Israelische Raumfahrtagentur (ISA)
• Italienische Raumfahrtagentur
• Japanische Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (JAXA)
• NASA (Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde der Vereinigten Staaten von Amerika)
  • JPL
  • GSFC
  • Ames
• Nationale Raumfahrtorganisation (Taiwan).
• Russische Föderale Weltraumagentur
• Britische Raumfahrtagentur (UKSA).

• Die Lunar and Planetary Science Conference (LPSC), organisiert vom Lunar and Planetary Institute in Houston, findet seit 1970 jährlich im März statt.
• Die Tagung der Division for Planetary Sciences (DPS) findet seit 1970 jährlich an einem anderen Ort, überwiegend innerhalb des amerikanischen Festlandes, statt. Sie findet etwa im Oktober statt.
• Die jährliche Herbsttagung der American Geophysical Union (AGU) findet im Dezember in San Francisco statt.
• Gemeinsame Tagung der American Geophysical Union (AGU) (in Zusammenarbeit mit anderen Gesellschaften) im April–Mai an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt.
• Die Jahrestagung der Meteoritical Society findet im Sommer der Nordhalbkugel statt, in der Regel abwechselnd in Nordamerika und Europa.
• Der Europäische Planetologie-Kongress (EPSC) findet jährlich im September an einem Ort in Europa statt.

Kleinere Workshops und Konferenzen zu bestimmten Themen finden das ganze Jahr über weltweit statt.

• Areographie (Geographie des Mars)
• Planetenkartographie
• Planetarisches Koordinatensystem
• Selenographie – die Untersuchung der Oberfläche und der physikalischen Merkmale des Mondes
• Theoretische Planetologie
• Zeitleiste der Erforschung des Sonnensystems

• Carr, Michael H., Saunders, RS, Strom, RG, Wilhelms, DE 1984. Die Geologie der terrestrischen Planeten . NASA.
• Morrison, David. 1994. Planetenwelten erforschen . WH Freeman. ISBN 0-7167-5043-0
• Hargitai H et al. (2015) Klassifizierung und Charakterisierung planetarischer Landformen. In: Hargitai H (Hrsg.) Enzyklopädie planetarischer Landformen. Springer. doi : 10.1007/978-1-4614-3134-3 https://link.springer.com/content/pdf/bbm%3A978-1-4614-3134-3%2F1.pdf
• Hauber E et al. (2019) Planetare geologische Kartierung. In: Hargitai H (Hrsg.) Planetare Kartographie und GIS. Springer.
• Page D (2015) Die Geologie planetarischer Landformen . In: Hargitai H (Hrsg.) Enzyklopädie planetarischer Landformen. Springer.
• Rossi, AP, van Gasselt S (Hrsg.) (2018) Planetary Geology. Springer

• Entdeckungen in der planetenwissenschaftlichen Forschung (Artikel)
• Die Planetary Society (die weltweit größte Interessengruppe für Weltraumforschung; siehe auch ihren aktiven Newsblog )
• Newsletter zur Planetenforschung (PSI-herausgegebener Fachnewsletter, wöchentliche Verteilung)
• Frauen in der Planetenforschung (professionelles Netzwerk und Neuigkeiten)